表面弾性波センサを介した伝播速度の推定
表面弾性波センサを通過する伝播速度を推定する技術について記述する。特に、表面弾性波センサの位相周波数応答の適当なセグメントを測定して利用する技術について、センサによる細菌検出の基礎として利用すべく記述する。上述のように、位相周波数応答の適当なセグメントに基づく速度評価を利用することは、検出の根拠として位相シフトを用いる従来の技術より優れている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００３年１２月３０日に出願された米国仮出願第６０／５３３，１７７号に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、表面弾性波（ＳＡＷ）センサに関し、より具体的にはＳＡＷセンサの出力を解析および解釈する技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
化学または生物剤の有無を検査すべく、化学的および生物学的試験が一般に利用されている。血液、食品その他の物質における化学または生物剤の存在検査は、安全性の保証または病状の診断を容易にすべく頻繁に行なわれている。例えば、試験を行なうことにより医療患者から採取された血液サンプル、実験目的で培養された研究所サンプル、食品サンプル等における化学物質、細菌、または他の薬剤の存在を確認している。また、化学的および生物学的試験を利用して、妊娠、糖尿病、細菌感染等の病状、および患者の化学的または生物学的状態に影響を及ぼし得るその他広範な条件に対する検査が行なわれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
化学的または生物学的検出機能として開発されたセンサの一種に、表面弾性波（ＳＡＷ）センサがある。ＳＡＷセンサの一例として、Ｌｏｖｅモードｓｈｅａｒ−ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ表面弾性波（ＳＨ−ＳＡＷ）センサがある。ＳＨ−ＳＡＷセンサは、以下の４個の主要構成要素、１）圧電基板、２）圧電効果に基づいて弾性波を励起するために用いる基板上の入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）、３）伝達された弾性波を受信し、圧電効果を利用して電気出力を生成する基板上の出力ＩＤＴ、４）入力ＩＤＴから出力ＩＤＴへ伝達すべくＳＨ型の波を導波Ｌｏｖｅモードに変換するＩＤＴ上の導波層を含んでいる。ＳＨ−ＳＡＷセンサの表面に一種類以上の物質が存在すれば、センサの表面の細菌または他の薬剤の存在に応答して導波層を通過する波の伝播に影響を及ぼし、それにより細菌または他の薬剤の検出が容易になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般に、表面弾性波センサを通過する伝播速度を推定する、あるいは同等であるが、時間遅延を推定する技術について記述する。特に、表面弾性波センサの位相周波数応答の適当なセグメントを測定および利用する技術について、センサによる細菌検出の基礎として利用すべく記述する。
【０００６】
本発明は、一実施形態において、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、識別された周波数応答に基づいて当該表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップを備える方法を提供する。
【０００７】
本発明は、別の実施形態において、プロセッサ内で実行されたならば、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、当該識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定させる命令を備えるコンピュータ可読媒体を提供する。
【０００８】
本発明は、別の実施形態において、表面弾性波センサと、当該表面弾性波センサの出力を受信するセンサ・アナライザと、当該センサ・アナライザから入力を受信し、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別して、位相周波数応答の当該識別されたセグメントに基づいて表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するプロセッサとを備えるシステムを提供する。
【０００９】
本発明により、１個以上の利点が得られる。特に、以下に記述するように、表面弾性波センサの伝播速度の変化を利用することにより、検出の根拠として位相シフトを用いる従来技術に比べてセンサを介した細菌の検出精度を向上させることができる。更に、検出の根拠として表面弾性波センサの推定伝播速度を利用することにより、細菌濃度の検出が可能になる。
【００１０】
本発明の１個以上の実施形態の詳細を、添付図面および以下の記述により開示する。本発明の他の特徴、目的および利点は、記述と図面、および特許請求の範囲から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に従い利用できる例証的なＳＡＷセンサ１０を示す斜視図である。ＳＡＷセンサ１０には、各種のＳＡＷセンサの任意のものが含まれていてよい。ＳＨ−ＳＡＷセンサは通常、結晶切削された圧電性物質を、波動伝播がＳＨ（shear-horizontal）モード、すなわち導波路により規定される平面と平行に回転可能な方向に向けて構成されているため、検出面と接触する液体による音響減衰損失が低減される結果となる。シアー水平弾性波には、例えば、厚みシアーモード（ＴＳＭ：thickness shear mode）、音響プレートモード（ＡＰＭ：acoustic plate mode）、表面スキミング・バルク波（ＳＳＢＷ：surface skimming bulk wave）、Ｌｏｖｅ波、漏洩弾性波（ＬＳＡＷ：leaky acoustic wave）、Ｂｌｅｕｓｔｅｉｎ−Ｇｕｌｙａｅｖ（ＢＧ）波が含まれていてよい。
【００１２】
特に、Ｌｏｖｅ波センサは、ＳＴクォーツのＳＳＢＷまたは３６°ＹＸＬiＴａＯ3の漏洩波等のＳＨ波モード対応型基板を含んでいてよい。これらのモードは好適には、薄い音響導波層または導波路の適用によりＬｏｖｅ波モードに変換することができる。これらの波は周波数依存であって、導波層のシアー波速度が圧電基板の速度より遅い場合に発生し得る。
【００１３】
一例として、センサ１０は、Ｌｏｖｅモード・シアー水平表面弾性波（ＳＨ−ＳＡＷ）センサを含んでいる。
【００１４】
ＳＡＷセンサ１０は、通常、圧電性物質からなる基板１２を含んでいる。ＳＡＷセンサ１０はまた、基板１２上に入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）１４を含んでおり、これを用いて圧電効果に基づいて弾性波を励起する。また、ＳＡＷセンサ１０は基板１２上に、伝達された弾性波を受信して圧電効果を利用することにより電気出力を生成する出力ＩＤＴ１６を含んでいる。導波層１８が、ＩＤＴ１４、１６の上部に形成されている。導波層１８は、入力ＩＤＴ１４から出力ＩＤＴ１６へ伝達すべくＳＨ−タイプ波を導波Ｌｏｖｅモードに変換する。
【００１５】
抗体層等の物質層が導波層１８の上に塗布される。動作時には、細菌の存在を検出すべく検査対象の液体が導波層１８に接触させられる。液体中に細菌が存在する場合、導波層１８上の抗体に細菌が付着することにより、導波層１８を通過する波動伝播に影響を及ぼす。従って、ＳＡＷセンサ１０の導波層１８を通過する波動伝播の解析により、細菌の検出または導波層１８に塗布されている物質と相互作用し得る他の薬剤の検出が可能になる。
【００１６】
ある場合において、ＳＡＷセンサ１０は、複数の入出力ＩＤＴの組を含んでいる。例えば、ＳＡＷセンサ１０は、各々が第一の出力ＩＤＴ１６および第二の出力ＩＤＴ１７に対応する第一の入力ＩＤＴ１４および第二の入力ＩＤＴ１５を含んでいてよい。その場合、第一の入出力ＩＤＴ１４、１６はＳＡＷセンサ１０の動作中の部分を備え、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７はＳＡＷセンサ１０の基準部分を含んでいてよい。第一の入出力ＩＤＴ１４、１６と、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７との間の導波層１８の表面に異なる種類の抗体を塗布して、関心対象の細菌だけが第一の入出力ＩＤＴ１４、１６に対応する動作中の部分の間の抗体に結合するようにできる。その場合、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７対応する基準部分が、温度変化の影響等を説明する基準測定を可能にし、これが無ければＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に影響を及ぼす可能性がある。
【００１７】
ＳＡＷセンサは、細菌検出用に一般的に利用されるが、他の広範な化学的または生物剤の任意のものを検出すべく設計されていてよい。従って、各種の化学的または生物剤の検出を容易にすべく、ＳＡＷセンサ１０の導波層に異なる物質が塗布されていてもよい。導波路物質は好適には、以下の特性のうち一つ以上を示す物質であってよい、すなわち低音響損失、低導電性、水および水溶液中での堅牢性および安定性、および比較的遅い音響速度、疎水性、より高い分子量、高度の架橋構造等である。一例として、ＳｉＯ2を石英基板上の音響導波層として用いた。他の熱可塑性および架橋ポリマー導波路物質の例として、エポキシ、ポリメチルメタクリレート、フェノール樹脂（例：ＮＯＶＡＬＡＣ）、ポリイミド、ポリスチレン等が含まれる。
【００１８】
一般に、ＳＡＷセンサの表面上に特定の物質が存在すれば、導波層の上を移動する他の物質の有無に応答して波動伝播が導波層を通過する際に影響を及ぼすことにより、導波層の上を移動する物質の検出が容易になる。従って、導波層に塗布されている物質は、導波層１８を横断して流れる液体中の懸濁された物質を誘引、捕捉、接着、その他の方法で付着させるべく選ばれてよい。このように、ＳＡＷセンサ１０は、細菌あるいは他の生物または化学薬剤の検出を容易にする。
【００１９】
Ｌｏｖｅモード表面波を生成すべく、導波層１８のシアー波速度は通常、基板１２の速度よも遅い。その場合、音響エネルギーは、ＳＡＷセンサ１０の検出面の近くで捕捉される。特にＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、一般に表面撹乱に対して感度が高い。質量負荷により、ＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの表面状態を変化させることができる。従って、伝播速度または共鳴周波数の変化の測定を利用して、質量負荷を検出することができ、それにより化学または生物剤の存在が検出される。
【００２０】
検出器として利用されるＳＨ−ＳＡＷセンサにとり最も重要な性能指標の一つに質量感度、すなわちセンサが自身の表面に添加された質量にどの程度敏感であるかを示す。質量感度を解析するために以下の２個の指数が定められた。
【数１】
【００２１】
質量がΔｍs＝ρmεである薄くて硬い極小添加層から生じる表面撹乱を伴なう／伴なわない、センサの伝播速度および共鳴周波数であり、ここで、ρmとεは添加層の密度と厚さである。
【００２２】
【数２】
【００２３】
ここで、表記ｖ0（ω）並びにｖg（ω）を用いて、分散的な場合は速度が周波数依存であること強調する。これは、ＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの場合、センサ表面の境界条件の異常を検出するために、Δｖ／ｖoを用いる方が、Δｆ／ｆoを用いるよりも好ましいことを意味する。従って、本発明によれば、Δｖ／ｖoをＳＡＷ−センサ１０等の検出指標の基礎として用いてもよい。
【００２４】
従来、３重トランジット・エコー（ＴＴＥ）を有するＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの場合、位相周波数応答は、次式で与えられた。
【数３】
【００２５】
ここで、ｆとωは、周波数と角周波数を表わし、Ｌは、入力の中心と出力ＩＤＴの中心との距離であり、β＝α2であって、αは入出力ＩＤＴの反射係数である。βが小さく、周波数応答により決定できるため、一般性を失うことなくβをゼロであると仮定できる。このように、位相周波数応答の場合、ＴＴＥを含まない場合だけを考えれば十分である。位相周波数応答は、従って、次式で与えられる。
【数４】
【００２６】
従って、−π＜ψ（ｆ）≦π（ラジアン単位）、または、−１８０＜ψ（ｆ）≦１８０（度単位）である。
【００２７】
【数５】
【００２８】
例えば、ｆ＝１０３ＭＨ、ｖ０＝４０００ ｍ／ｓ且つＬ＝８．８ｍｍであるならば、｜Δｖ｜≧１７．５７４７ｍ／ｓに対して、
【数６】
【００２９】
この理由により、本発明は位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、ＳＡＷセンサを通過する伝播速度を推定する技術を提供する。伝播速度は、後述するように、ＳＡＷセンサを通過する時間遅延だけに関係する。本発明による方法は、表面弾性波センサの位相周波数応答の適当なセグメントを識別するステップと、識別された周波数応答に基づいて、表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップとを含んでいてよい。
【００３０】
図２は、ＳＡＷセンサ１０と、ＳＡＷセンサ１０からの測定値を取得するセンサ・アナライザ２１とを備えるシステム２０を示すブロック図である。システム２０はまた、ＳＡＷセンサ１０の出力を解釈するプロセッサ２２を含んでいる。換言すれば、センサ・アナライザ２１はＳＡＷセンサ１０から出力を受信して、プロセッサ２２に入力を提供することによりＳＡＷセンサ１０の出力を解釈可能にする。
【００３１】
プロセッサ２２はセンサ・アナライザ２１から、ＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に関連付けられた測定値を備える入力を受信する。プロセッサ２２は次いで、ＳＡＷセンサ１０が検出すべく設計されている特定の細菌または他の物質の存在をＳＡＷセンサ１０が検出したか否かを判定する。プロセッサ２２は、本明細書に記述するプロセッサ向けの各種の技術および機能を実現すべく命令を実行する。ＳＡＷセンサ１０はカートリッジ等に収納されていてよく、スロットへカートリッジを挿入することによりセンサ・アナライザ２１に電気的に接続されていてよいが、本発明はこの点に限定されない。プロセッサ２２は、センサ・アナライザ２１と同じ装置に収納されていても、あるいは別個の装置または別個のコンピュータの一部であってもよい。
【００３２】
プロセッサ２２はまた、本開示に示すものと整合する伝播速度ルーチン２５を格納するメモリ２４に接続されていてよい。あるいは、伝播速度ルーチン２５は、プロセッサ２２内のハードウェアに実装されていてもよい。いずれの場合でも、プロセッサ２２は、本明細書に記述するように、識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサを通って伝播する波に付随する時間遅延を推定すべく伝播速度ルーチン２５を実行する。
【００３３】
例えば、プロセッサ２２は、メモリ２４に格納されたソフトウェアを実行する汎用マイクロプロセッサを含んでいてよい。その場合、プロセッサ２２は専用に設計されたコンピュータ、汎用パソコン、ワークステーション、ハンドヘルド・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ等の内部に収納されてよい。あるいは、プロセッサ２２は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または他の専用に設計されたプロセッサを含んでいてよい。いずれの場合も、プロセッサ２２は本明細書に記述するように、識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサ１０を通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定すべく伝播速度ルーチン２５を実行する。
【００３４】
メモリ２４は、プロセッサ２２により適用されるプロセッサ実行可能なソフトウェア命令を格納するコンピュータ可読媒体の一例である。例えば、メモリ２４はランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等を含んでいてよい。以下に数学的に記述されたような伝播速度ルーチン２５はメモリ２４に格納されていて、ＳＡＷセンサ１０の出力の解析に用いられる、より大規模なソフトウェア・プログラムの一部を形成していてもよい。例えば、伝播速度ルーチン２５はＬａｂＶｉｅｗソフトウェア・プラットフォーム内のプログラムされたサブルーチンであってよく、以下により詳しく詳述する。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態による技術を示すフロー図である。図３に示すように、液体がＳＡＷセンサ１０の表面と接触させられる（３１）。液体は、細菌テストが必要な物質のサンプルを含んでいてよい。例えば、液体は、関心対象である細菌に応答する抗体を備えるＳＡＷセンサ１０（図１）の導波層１８の表面を流れるようになっている。ＳＡＷセンサ１０は、例えば、液体がカートリッジ内へ誘導されて、液体経路を経て導波層１８へ流れ込むことができるように、導波層１８の表面上の液体経路を規定するカートリッジに収納されていてよい。
【００３６】
プロセッサ２２は、センサ・アナライザ２１によりＳＡＷセンサ１０から取得された測定値を受信して、メモリ２４に格納されている伝播速度ルーチン２５を適用する。その際、プロセッサ２２はＳＡＷセンサ１０の位相周波数応答のセグメントを識別し（３２）、識別された周波数応答に基づいて、ＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する（３３）。いくつかの実施形態において、推定された時間遅延から導かれた推定伝播速度を用いて、液体中の細菌その他の物質の濃度を識別することができる（３４）。
【００３７】
表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する多くの数学的技術について以下に述べる。τ＝Ｌ／ｖは、距離Ｌを隔てられた入力ＩＤＴの中心と出力ＩＤＴの中心との間の時間遅延を指す。分散的なケースにおいて、時間遅延はまた周波数の関数でもある。すなわち、τ（ｆ）＝Ｌ／ｖ（ｆ）である。φ（ｆ）（度単位）の定義から、以下が得られる。
【数７】
【００３８】
任意の与えられたランニング周波数ｆ0（動作周波数とも呼ばれる）に対して、ランニング周波数ｆ0に近接する２種の位相屈折周波数ｆ1、ｆ2が存在して、以下が成り立つ。
【００３９】
（１）ｆ1≦ｆ0＜ｆ2
（２）φ（ｆ1）＝１８０、φ（ｆ2−０）＝−１８０且つφ（ｆ2）＝φ（ｆ2＋０）＝１８０
（３）ｆ1τ（ｆ1）＝［ｆ1τ（ｆ1）］、ｆ2τ（ｆ2）＝［ｆ2τ（ｆ2）］且つ［ｆ2τ（ｆ2）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］＋１
（４）任意のｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、［ｆτ（ｆ）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］
【００４０】
図４は、ＳＡＷセンサの例証的な周波数応答を示すグラフである。図４においてラベル付けされているのは例証的なランニング周波数ｆ0、典型的な第一位相屈折周波数ｆ1、典型的な第二位相屈折周波数ｆ2である。再び、任意のｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、［ｆτ（ｆ）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］である。従って、ｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、
【数８】
【００４１】
基本的微分方程式を用いて、τ（ｆ）の以下の特性を証明することができる。
命題１：ｆ∈［ｆ11，ｆ22）⊆［ｆ1，ｆ2）に対してφ（ｆ）がｆに関して線形であるならば、τ（ｆ）は定数であり、且つｆ∈［ｆ11，ｆ22）⊆［ｆ1，ｆ2）に対して次式が成立する。
【数９】
【００４２】
命題２：φ（ｆ）が（ｆ1，ｆ2）において微分可能、且つｆ1について右微分可能であると仮定すると、
【数１０】
【００４３】
ここで、時間遅延τ（ｆ）を推定するアルゴリズムまたはルーチンについて議論する。命題２から、伝播速度ルーチン２５の一部として以下のアルゴリズムを用いて、τ（ｆ）の推定を得ることができる。
【００４４】
[０００１] アルゴリズム１：ｆ00＝ｆ1且つ
【数１１】
【００４５】
ここで、ｆ0はランニング周波数であり、この説明ではｆrunとも表記される。
【００４６】
アルゴリズム２：ｆ00＝ｆ*、例えばφ（ｆ*）＝±９０である。ｆ*の周辺で１０個の周波数ｆ(1)，ｆ(2)，．．．，ｆ(10)を取って、（ｆ(1)，φ（ｆ(1)）），（ｆ(2)，φ（ｆ(2)）），．．．，（ｆ(10)，φ（ｆ(10)））の線形回帰を求める。
【数１２】
【００４７】
アルゴリズム３：ｆ00＝ｆ0＝ｆrunである。ｆ0の周辺で１０個の周波数ｆ(1)，ｆ(2)，．．．，ｆ(10)を取って、（ｆ(1)，φ（ｆ(1)）），（ｆ(2)，φ（ｆ(2)）），．．．，（ｆ(10)，φ（ｆ(10)））の線形回帰を求める。
【数１３】
【００４８】
φ（ｆ1）＝１８０、φ（ｆ2−０）＝−１８０であるため、
【数１４】
【００４９】
実際に測定された位相応答の場合、φ（ｆ）は周波数ｆのサンプリング点でしか与えられない。すなわち、φ（ｆ）はセグメント［ｆ1，ｆ2）において連続関数ではなく、離散的なシーケンスである。更に、φ（ｆ1）およびφ（ｆ2）は各々１８０および−１８０に等しくないが、φ（ｆ1−Δｆ）＜０、φ（ｆ1）＞０、φ（ｆ2）＜０且つφ（ｆ2＋Δｆ）＞０であり、ここで、Δｆは周波数領域におけるサンプリング間隔である。推定精度を向上させるには、Δｆはなるべく小さくなければならず、線形回帰を用いて［ｆ1，ｆ2）から［ｆnew1，ｆnew2）にφ（ｆ）を外挿してφ（ｆnew1）＝１８０且つφ（ｆnew2−０）＝−１８０であるようにできる。外挿されたφ（ｆ）に対して、
【数１５】
【００５０】
特に、伝播速度を推定する上述のアルゴリズムは、ＳＨ−ＳＡＷセンサの測定された周波数応答の適当なセグメントに基づくだけである。少なくともこの方法で本アルゴリズムは従来の方法とは異なる。従来の方法は、何らかの時間領域機器によりセンサの時間遅延またはＩＤＴのいくつかの突起間での時間遅延を測定することができる。あるいは、従来の方法は、位相周波数応答全体、振幅周波数応答、および逆のフーリエ変換に基づいていてもよい。対照的に、本明細書に記述する技術は、ＳＨ−ＳＡＷセンサの測定された周波数応答のセグメント、すなわち本明細書の記述のように識別可能な適当なセグメントだけに基づいている。
【００５１】
アルゴリズム１は、オンライン速度測定用にソフトウェア・プラットフォームＬａｂＶｉｅｗに実装されている。ＬａｂＶｉｅｗは、米国ナショナル・インスツルメンツ社（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）から販売されているソフトウェア・プログラムである。検出器としてＳＡＷセンサを用いることは一般に、特定の表面撹乱の有る／無いセンサの伝播特性の比較に基づく。そのような比較は動的または静的に行なうことができる。
【００５２】
動的比較を行なう場合、センサの伝播特性を時系列として測定される。静的比較を行なう場合、センサは２個のチャネル、すなわち基準チャネルおよび検出チャネル（動作中チャネルとも呼ばれる）で構成されている必要がある。例えば、基準チャネルはＩＤＴ１５と１７（図１）の間の基準セグメントに対応しているが、検出チャネルはＩＤＴ１４と１６の間の動作中の部分に対応していてよい。表面撹乱は検出チャネルにおいて生起する。その場合、センサの２個のチャネルの伝播特徴が測定される。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播特性の測定値がセンサを検出器として使用する際の基準である。
【００５３】
共鳴周波数ｆresonanceおよび伝播速度ｖは最も直接的な伝播特徴の二つであり、Δｖ／ｖは表面撹乱に対するΔｆ／ｆより感度が高い。従って、伝播速度の測定により、ＳＨ−ＳＡＷセンサを検出器として効率的に使用するための改良方法を提供することができる。対照的に、従来の技術は通常、センサ・アナライザにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの対数振幅応答Ａ（ｆ）および位相応答φ（ｆ）を測定し、測定された位相周波数応答からランニング周波数における位相を読み出す。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播速度を直接測定するためのルーチンの開発が、ＳＨ−ＳＡＷセンサの現実の適用に際して極めて重要になる。上に示すアルゴリズムは、測定された位相周波数応答の適当なセグメントから伝播速度を推定するためのソフトウェア・ベースの方法を提供し、例えば米国アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）から市販されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより測定することができる。他の同様のネットワーク・アナライザを用いてもよい。
【００５４】
ＬａｂＶｉｅｗは、センサ・アナライザとの通信、および当該モデルに基づく計算の両方を簡単に行なえる方法として選択された。本明細書に記述する技術の実行に関連付けられた例証的なＬａｂＶｉｅｗ画面を図５に示す。入力は、センサ・アナライザの特別な解像度により一部規定され、最小および最大周波数（センサ・アナライザ上の合計１６００個のデータ点に等しい）およびランニング周波数を含んでいる。
【００５５】
ＬａｂＶｉｅｗからの出力により、結果の様々に解釈することができる。図のＬａｂＶｉｅｗ画面に示す大多数のプロットについて、２種の出力があり、一つは測定センサを表し、他の一つは基準センサを表わす。ＬａｂＶｉｅｗにおいて、位相と速度のプロットを用いて、センサが確実に動作しているか否かを判定することができる。位相に雑音が増えるか、または振幅が約２０ｄＢを超えて減少したならば、センサは不調であるとみなされて廃棄される。
【００５６】
位相ヒストグラムのプロットは、センサ品質の別の尺度として用いることができ、位相プロット線の非線形性に関する。速度のプロットは、本明細書に記述する技術による推定の結果を提供する。
【００５７】
ランニング周波数における強度と位相のプロットが採取されて、時間に対してプロットされる。最後に、温度およびアナ対数値が出力されて、時間に対してプロットされる。位相周波数応答の適当なセグメントから速度を計算すべく、ＬａｂＶｉｅｗ内で内部サブＶＩを用いる。第一のステップで、全ての＋１８０および−１８０度位相点を計算する。換言すれば、位相屈折周波数を決定するために、本技術はランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答のサンプリングを行ない、当該複数の位相応答の関数として位相屈折周波数を推定することができる。
【００５８】
連続的な周波数と、その離散的実現値との間の速度表現の差異を上で議論した。しかし、上の第一ステップはまた、ＬａｂＶｉｅｗのアルゴリズム１を実行する間に適用することができる。センサ・アナライザの周波数の解像度が限られている場合、−１８０〜１８０度の位相遷移に関するデータは下記のものと同様であってよい。
【００５９】
−１７５．９７，−１７６．８６６，−１７７．７６１，−１７８．６５７，−１７９．５５２，１７９．５５２２，１７８．６５６７，１７７．７６１２，１７６．８６５７，１７５．９７０１，
【００６０】
外挿された線形フィットを用いて、ちょうど−１８０および１８０度である位相点を発見することができる。例証的な＋１８０および−１８０度位相点の描画を図６に示す。図７に、正確な−１８０および１８０度位相を発見すべく両側へ外挿された線形フィットの利用を例示する。図７からわかるように、ｆ1、ｆ2の値およびランニング周波数φ（ｆ0）における位相を計算することができる。しかし、ＬａｂＶｉｅｗではフォーマットが異なるため、上で導いたモデルとは異なる表記法を用いる必要があろう。例えばＬａｂＶｉｅｗでは、
【００６１】
Ｔａｕ＿Ｆｒ ＝（（（Ｆ１／（Ｆ２−Ｆ１））*３６０）−Ｐｈａ＿Ｆｒ＋１８０）／Ｆ＿ｒｕｎ*１００００００*３６０） （Ｆ＿ｒｕｎがヘルツに変換済み）
【００６２】
次いで、
Ｖ＿Ｆｒ＝（Ｌ*０．００１）／Ｔａｕ＿Ｆｒ （Ｌはミリメートルからメートルに変換済み）
【数１６】
【００６３】
ＬａｂＶｉｅｗの別のアプリケーションを用いて、格納されている位相ファイルを取り出して速度データを再構築することが可能である。位相データは次いで、上述と全く同じモデルを用いて変換することができる。このように、得られた速度と関連してランニング周波数を変える影響が見ることができる。ＬａｂＶｉｅｗにより、２個のランニング周波数（０．１ＭＨｚの差で）を同時に評価することができる。利点として、位相屈折周波数は、位相対周波数のグラフの単調に変化する部分集合の表面弾性波センサの端を規定する。このように、本明細書に記述する技術は、センサによる物質の識別だけでなく、物質の濃度の表示をも可能にする。
【実施例１】
【００６４】
実験に用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所（Sandia National Laboratories, USA）から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。低壁フローセルをセンサの上部に配置して、ｐＨ７．５のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）緩衝液で満たした。当該液体容器は、緩衝液の流れを遅くすることができるようにシリンジポンプ系に接続されていた。実験を行なう間、０．０５ｍｇ／ｍｌのウシ血清アルブミン％（ＢＳＡ）タンパク質の２５０マイクロリットルの複数のアリコートを指定時刻に細胞内へ注入した。米国アジレント・テクノロジーズ社（Agilent Technologies Inc., USA）から販売されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより、ほぼ２０秒毎にセンサの対数振幅および位相応答を測定した。その結果生じた位相応答に基づいて、動作周波数における位相の時間に対する曲線が直ちに得られた。次いでアルゴリズム１を用いて、動作周波数における時間毎の伝播速度を計算した。図８、９は実験の時間経過に沿って各々プロットした位相応答および伝播速度を示す。速度の時間に対する曲線の谷は、非常にゆっくり流れる緩衝液流にＢＳＡが注入された時点と正確に対応している。位相の時間に対する曲線と比較して、伝播速度の計算からはＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの表面への質量負荷に関するより多くの詳細な情報が得られ、その結果質量負荷および粘性に対する感度が向上する。
【実施例２】
【００６５】
この例では、検出中の細菌の３種の別々の濃度を用いた。第一の細菌濃度は１０3ｃｆｕ／ｍｌ（１ミリリットル当たりの単位を形成するコロニー）であり、結果を図１０、１１に示す。第二の細菌濃度は１０5ｃｆｕ／ｍｌであり、結果を図１２、１３に示す。第三の細菌濃度は１０7ｃｆｕ／ｍｌであり、結果を図１４、１５に示す。
【００６６】
特に、図１０、１２、１４のグラフは、指定濃度におけるΔｖ／ｖ0は対時間を示し、図１１、１３、１５のおよびグラフは指定濃度におけるΔφ／φ0は対時間を示す。
【００６７】
質量負荷測定用にＳＨ−ＳＡＷセンサを使用する通常の方法は、センサが基準チャネルおよび検出チャネルの２個のチャネルを備えるということである（本明細書では検出チャネルをセンサの「動作中のチャネル」または「動作中のセグメント」とも呼ぶ）。基準チャネルにおいて、センサの表面は極めて安定している一方、検出チャネルでは撹乱されている。２個のチャネルの伝播特性を測定して比較することにより、検出チャネルにおける質量負荷から生じる撹乱を検出することができる。２個のチャネルの伝播特徴の違いを記述するために利用できインジケータ機能が添加された物質の質量に関して単調である場合、質量負荷の存在を検出して定量化することができる。検出用のインジケータ機能としてΔｖ／ｖ0を用いる方が、Δφ／φ0を用いるよりも良いことが上で示されている。
【００６８】
本例は、実際の実験から当該結論の正当性を示すものである。本実験において、検出チャネルの表面には、特定の濃度で細菌が含有されていた。実験において使用した細菌の濃度は各々、１０3、１０5および１０7ｃｆｕ／ｍＬである。検出チャネルへの細菌注入から逆洗までの遅延は約２０分であった。各々の細菌濃度におけるΔｖ／ｖ0およびΔφ／φ0の時間に対する曲線を図１０〜１５に示し、２個のチャネルの伝播速度の計算は上述のアルゴリズムに基づいている。本例での実験は抗体を含まない点を指摘しておく。細菌は、サッカリン固定化層である表面化学物質に直接結合されていた。
【００６９】
定常状態におけるΔｖ／ｖ0およびΔφ／φ0が各々の細菌濃度について上述の曲線から抽出された。Δｖ／ｖ0の対数濃度に対する関係およびΔφ／φ0の対数濃度に対する関係を各々図１６、１７に示す。
【００７０】
実験結果は３種の異なる細菌濃度のものでしかないが、明らかに、Δφ／φ0は細菌濃度に関して単調ではない。これはまた、Δφ／φ0が、ダイナミックレンジが大きい質量負荷を定量的に検出するための適当なインジケータではないという結論の正当性を示す。
【実施例３】
【００７１】
本実験で用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。実験を行なう間、センサの表面は以下の通りであった。
【００７２】
１．空気中に約２０分間静置
２．緩衝液中に約３０分間静置
３．緩衝液中の細菌に約１８分間接触
４．短時間洗浄して、約２０分間の緩衝液に静置
５．純水に約３０分間接触
【００７３】
細菌は表面に取り付けられる抗体に結合されていた。図１８は動作周波数における伝播速度の時間に対するグラフであり、図１９は動作周波数における位相の時間に対するグラフである。伝播速度は、上述のアルゴリズム１を用いて計算した。図１８、１９において、破線の垂直線は、上で詳述したセンサの各種の表面条件の持続時間を規定する。
【００７４】
図１８の速度の時間に対するグラフを見れば、本実験のプロセスと結果がより簡単に理解できよう。センサの表面弾性波の伝播速度は、１８１で示すように表面が空気中にあるときよりも速い。緩衝液を注入すると、速度は減少し、１８２で示すように定常状態に落ち着いた。一定量の細菌を加えると、速度は１８３で示すように再び低下した。短時間の洗浄では細菌を除去されず、センサ表面に取り付けられた抗体に吸着された。従って、前の状態におけるのと同様に洗浄中の速度を１８４に示す。最後に、１８５に示すように表面状態が、吸着された細菌から水へ変化したため、表面弾性波センサの速度は増加した。極めて対照的に、図１９に示す位相の時間に対する曲線に基づく実験プロセスおよび結果を理解して説明することは困難である。
【実施例４】
【００７５】
本実験で用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。低壁フローセルをセンサの上部に配置して、ｐＨ約７．５のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）緩衝液で満たした。当該液体容器は、緩衝液の流れを遅くすることができるようにシリンジポンプ系に接続されていた。実験を行なう間、各種濃度のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）タンパク質の２５０マイクロリットルの複数のアリコートを指定時刻に細胞内へ注入した。タンパク質の注入は、以下の表１に準拠する。表１において、ＢＳＡはウシ血清アルブミンを指し、ＩｇＧは免疫グロブリンを指す。
【００７６】
【表１】
【００７７】
例１で述べたように、米国アジレント・テクノロジーズ社から販売されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより、ほぼ２０秒毎にセンサの対数振幅および位相応答を測定した。有効チャネルに対するこれらの位相周波数応答の適当なセグメントおよび上で提案したアルゴリズム１に基づいて、ランニング周波数における位相対時間および伝播速度対時間の両方の曲線が得られた。図２０は結果的に得られた位相対時間のグラフであり、一方、図２１は結果的に得られた伝播速度対時間のグラフである。
【００７８】
ＢＳＡ注入の場合における伝播速度（ｍ／ｓ）対時間（時間領域内てのサンプリング点）の曲線の詳細を図２２〜２４に示す。曲線の谷の位置は、表１に掲載した注入時点に極めて近い。図２３において、ラベルは以下のものに対応している。
【００７９】
（１）（７３７の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
（２）（７８３の）ＢＳＡ ．０２５ｍｇ／ｍｌ
（３）（８１６の）ＢＳＡ ．０１２５ｍｇ／ｍｌ
（４）（８５４の）ＢＳＡ ．０３３３ｍｇ／ｍｌ
（５）（８８８の）ＢＳＡ ．０４ｍｇ／ｍｌ
（６）（９１６の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
（７）（９４８の）ＢＳＡ ０．００６２５ｍｇ／ｍｌ
（８）（９９４の）ＢＳＡ ０．００３１２５ｍｇ／ｍｌ
（９）（１０２３の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
【００８０】
Δｖ／ｖをより正確に推定すべく、ＢＳＡの注入時点周辺で速度の曲線のいくつかのセグメントを用いる。一例を図２６に示す。この場合、推定された注入時点は、時間領域における第９５２番目のサンプリングである。図２６に示すこのセグメントから、谷の稜線が決定されて、速度ｖ0およびｖ1が推定される。次いで、この注入におけるΔｖ／ｖ＝（ｖ1−ｖ0）／ｖ０が計算され、この場合Δｖ／ｖ＝−０．００５６である。図２５に、φの曲線の対応するセグメントを示す。図２５のグラフからの当該注入のΔφ／φを決定するのは困難である。
【００８１】
図２７〜３０に更に多くの例を示す。特に、図２８、３０は推定された注入時点周辺でのｖの曲線のセグメントを示し、図２７、２９にφの曲線の対応するセグメントを示す。図２８、３０における計算された（Δｖ／ｖ）は各々、は−０．０２０１および−０．０１９７である。図２７、２９からΔφ／φを決定するのは依然として困難である。
【００８２】
ＢＳＡされた注入時点周辺でのΔｖ／ｖのより正確な推定値を表１に掲載している。結果的に得られたΔｖ／ｖと、表１に掲載した同一注入時点で注入されたＢＳＡの既知濃度との対比を図３１に丸印で示す。０．０５ｍｇ／ｍｌの濃度に対応して、７個の重複する（Δｖ／ｖ）が存在する。
【００８３】
最も大きいΔｖ／ｖに対応する丸印を調べることができる。図３１の曲線は、丸印を接続することで得られる。図３１の曲線は単調である。更に、図３１の曲線の単調性から、速度と較正の曲線で測定できるΔｖ／ｖを用いることにより、注入されたＢＳＡの濃度が[０．００３１２５，０．０５]ｍｇ／ｍｌの範囲にあれば、注入されたＢＳＡの濃度をセンサが更に検出できることを示す。
【００８４】
ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播特性の測定は、検出器としてセンサを使用する際の基本である。共鳴周波数ｆresonanceおよび伝播速度ｖは、２個の直接的な伝播特性であり、Δｖ／ｖは表面撹乱に対してΔｆ／ｆよりも感度が高い。従って、伝播速度の測定は、検出器としてＳＨ−ＳＡＷセンサを効率的に使用するための好適な指標である。
【００８５】
対照的に、従来の方法はセンサ・アナライザにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの対数振幅周波数応答Ａ（ｆ）および位相周波数応答φ（ｆ）を測定し、次いでランニング周波数における位相を読み出すものである。検出におけるΔφまたはΔφ／φの重大な制約は上で述べた。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播速度を直接測定するためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを開発することにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの実用的に応用することができる。従来の３重トランジット・エコー（ＴＴＥ）技術を用いたＳＨ−ＳＡＷセンサのシステムモデルに基づいて、センサ・アナライザにより測定された位相周波数応答の適当なセグメントから伝播速度を推定するいくつかのアルゴリズムが提示されてきた。第一のアルゴリズム（アルゴリズム１）はまた、オンライン速度測定用にソフトウェア・プラットフォームＬａｂＶｉｅｗに実装された。
【００８６】
従来の位相に基づく、または位相シフトに基づく方法と比較して、本明細書に記述する技術は位相に含まれる情報が一切失われない。また、位相アンビギュイティを解決するため、本明細書に記述する技術は、従来技術に比べてＳＨ−ＳＡＷセンサの表面状態に関してはるかに多くの詳細情報を抽出することができる。更に、上の例で広いダイナミックレンジにわたる濃度について、液体質量負荷の濃度に対するΔｖ／ｖの曲線の単調性を示した。これは、従って、ＳＨ−ＳＡＷセンサを用いて実際に質量負荷を定量的に検出するための基礎となる。対照的に、液体質量負荷の濃度に対するΔφ／φの曲線の場合、曲線の単調性は濃度が薄い場合にしか見られない。
【００８７】
本発明の各種の実施形態について述べてきた。特に、表面弾性波センサを通過する伝播速度を推定する技術について述べてきた。これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア等で実装することができる。例証的なハードウェア実装には、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、専用設計ハードウェア部品、またこれらの任意の組み合せによる実装が含まれる。また、本明細書に記述した一つ以上の技術は、部分的にまたは完全にソフトウェアで実行することができる。その場合、コンピュータ可読媒体がコンピュータ可読な命令、すなわち、プロセッサにより実行可能である、または上述の技術の一つ以上を実行するプログラムコードを格納または別途包含していてよい。これらの技術は、一定時間遅延（非分散的な場合）および周波数依存時間遅延（分散的な場合）の両方で利用することができる。
【００８８】
例えば、コンピュータ可読媒体はランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等を含んでいてよい。これらおよび他の実施形態は添付の請求項の範囲内にある。
【００８９】
本発明の機器を被覆するのに適した方法は、本出願人の米国同時係属出願第１０／６０７，６９８号明細書（２００３年６月２７日出願）を含んでいる。
【００９０】
本発明は、以下に掲載する各種の米国特許出願（その各々の全文を引用している）に記述されているように、各種の物質、方法、システム、装置等と組み合わせて利用することができる。これらは、米国特許出願第６０／５３３，１６２号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第６０／５３３，１７８号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第１０／８９６，３９２号明細書（２００４年７月２２日出願）、同第１０／７１３，１７４号明細書（２００３年１１月１４日出願）、同第１０／９８７，５２２号明細書（２００４年１１月１２日出願）、同第１０／７１４，０５３号明細書（２００３年１１月１４日出願）、同第１０／９８７，０７５号明細書（２００４年１１月１２日出願）、同第６０／５３３，１７１号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第１０／９６０，４９１号明細書（２００４年１０月７日出願）、同第６０／５３３，１７６号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第６０／５３３，１６９号明細書（２００３年１２月３０日出願）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「細胞の細胞壁成分の信号検出を向上させる方法」（代理人整理番号：５９４６７ＵＳ００２）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「アミン捕捉剤としての可溶なポリマーおよび方法」（代理人整理番号：５９９９５ＵＳ００２）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「多機能アミン捕捉剤」（代理人整理番号：５９９９６ＵＳ００２）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「表面弾性波センサ・アセンブリ」（代理人整理番号：５８９２８ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「音響機械的検出システムおよび方法」（代理人整理番号：５９４６８ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「検出カートリッジ、モジュール、システムおよび方法」（代理人整理番号：６０３４２ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「音響センサおよび方法」（代理人整理番号：６０２０９ＷＯ００３）である。
【００９１】
本明細書において引用した特許、特許出願、特許文献および刊行物の完全な開示は、あたかも各々が個別に引用された如く、その全文を引用している。本発明に対する各種の変形および変更等は、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者にとって明らかになる。本発明が、本明細書に記述した例証的な実施形態により過度に限定されることを意図しておらず、そのような実施形態が例示目的でのみ示されていて、本発明の範囲は特許請求の範囲だけにより限定されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の１個以上の実施形態で利用できる例証的な表面弾性波（ＳＡＷ）センサを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるシステムを示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による技術を示すフロー図である。
【図４】ＳＡＷセンサの例証的な位相周波数応答のグラフを示す図である。
【図５】本明細書に記述する技術の実装に関連付けられた例証的なＬａｂＶｉｅｗ画面を描いた図である。
【図６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１２】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１３】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１４】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１５】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２２】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２３】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２４】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２５】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図３０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図３１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２００３年１２月３０日に出願された米国仮出願第６０／５３３，１７７号に対する優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、表面弾性波（ＳＡＷ）センサに関し、より具体的にはＳＡＷセンサの出力を解析および解釈する技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
化学または生物剤の有無を検査すべく、化学的および生物学的試験が一般に利用されている。血液、食品その他の物質における化学または生物剤の存在検査は、安全性の保証または病状の診断を容易にすべく頻繁に行なわれている。例えば、試験を行なうことにより医療患者から採取された血液サンプル、実験目的で培養された研究所サンプル、食品サンプル等における化学物質、細菌、または他の薬剤の存在を確認している。また、化学的および生物学的試験を利用して、妊娠、糖尿病、細菌感染等の病状、および患者の化学的または生物学的状態に影響を及ぼし得るその他広範な条件に対する検査が行なわれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
化学的または生物学的検出機能として開発されたセンサの一種に、表面弾性波（ＳＡＷ）センサがある。ＳＡＷセンサの一例として、Ｌｏｖｅモードｓｈｅａｒ−ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ表面弾性波（ＳＨ−ＳＡＷ）センサがある。ＳＨ−ＳＡＷセンサは、以下の４個の主要構成要素、１）圧電基板、２）圧電効果に基づいて弾性波を励起するために用いる基板上の入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）、３）伝達された弾性波を受信し、圧電効果を利用して電気出力を生成する基板上の出力ＩＤＴ、４）入力ＩＤＴから出力ＩＤＴへ伝達すべくＳＨ型の波を導波Ｌｏｖｅモードに変換するＩＤＴ上の導波層を含んでいる。ＳＨ−ＳＡＷセンサの表面に一種類以上の物質が存在すれば、センサの表面の細菌または他の薬剤の存在に応答して導波層を通過する波の伝播に影響を及ぼし、それにより細菌または他の薬剤の検出が容易になる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般に、表面弾性波センサを通過する伝播速度を推定する、あるいは同等であるが、時間遅延を推定する技術について記述する。特に、表面弾性波センサの位相周波数応答の適当なセグメントを測定および利用する技術について、センサによる細菌検出の基礎として利用すべく記述する。
【０００６】
本発明は、一実施形態において、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、識別された周波数応答に基づいて当該表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップを備える方法を提供する。
【０００７】
本発明は、別の実施形態において、プロセッサ内で実行されたならば、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、当該識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定させる命令を備えるコンピュータ可読媒体を提供する。
【０００８】
本発明は、別の実施形態において、表面弾性波センサと、当該表面弾性波センサの出力を受信するセンサ・アナライザと、当該センサ・アナライザから入力を受信し、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別して、位相周波数応答の当該識別されたセグメントに基づいて表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するプロセッサとを備えるシステムを提供する。
【０００９】
本発明により、１個以上の利点が得られる。特に、以下に記述するように、表面弾性波センサの伝播速度の変化を利用することにより、検出の根拠として位相シフトを用いる従来技術に比べてセンサを介した細菌の検出精度を向上させることができる。更に、検出の根拠として表面弾性波センサの推定伝播速度を利用することにより、細菌濃度の検出が可能になる。
【００１０】
本発明の１個以上の実施形態の詳細を、添付図面および以下の記述により開示する。本発明の他の特徴、目的および利点は、記述と図面、および特許請求の範囲から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に従い利用できる例証的なＳＡＷセンサ１０を示す斜視図である。ＳＡＷセンサ１０には、各種のＳＡＷセンサの任意のものが含まれていてよい。ＳＨ−ＳＡＷセンサは通常、結晶切削された圧電性物質を、波動伝播がＳＨ（shear-horizontal）モード、すなわち導波路により規定される平面と平行に回転可能な方向に向けて構成されているため、検出面と接触する液体による音響減衰損失が低減される結果となる。シアー水平弾性波には、例えば、厚みシアーモード（ＴＳＭ：thickness shear mode）、音響プレートモード（ＡＰＭ：acoustic plate mode）、表面スキミング・バルク波（ＳＳＢＷ：surface skimming bulk wave）、Ｌｏｖｅ波、漏洩弾性波（ＬＳＡＷ：leaky acoustic wave）、Ｂｌｅｕｓｔｅｉｎ−Ｇｕｌｙａｅｖ（ＢＧ）波が含まれていてよい。
【００１２】
特に、Ｌｏｖｅ波センサは、ＳＴクォーツのＳＳＢＷまたは３６°ＹＸＬiＴａＯ3の漏洩波等のＳＨ波モード対応型基板を含んでいてよい。これらのモードは好適には、薄い音響導波層または導波路の適用によりＬｏｖｅ波モードに変換することができる。これらの波は周波数依存であって、導波層のシアー波速度が圧電基板の速度より遅い場合に発生し得る。
【００１３】
一例として、センサ１０は、Ｌｏｖｅモード・シアー水平表面弾性波（ＳＨ−ＳＡＷ）センサを含んでいる。
【００１４】
ＳＡＷセンサ１０は、通常、圧電性物質からなる基板１２を含んでいる。ＳＡＷセンサ１０はまた、基板１２上に入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）１４を含んでおり、これを用いて圧電効果に基づいて弾性波を励起する。また、ＳＡＷセンサ１０は基板１２上に、伝達された弾性波を受信して圧電効果を利用することにより電気出力を生成する出力ＩＤＴ１６を含んでいる。導波層１８が、ＩＤＴ１４、１６の上部に形成されている。導波層１８は、入力ＩＤＴ１４から出力ＩＤＴ１６へ伝達すべくＳＨ−タイプ波を導波Ｌｏｖｅモードに変換する。
【００１５】
抗体層等の物質層が導波層１８の上に塗布される。動作時には、細菌の存在を検出すべく検査対象の液体が導波層１８に接触させられる。液体中に細菌が存在する場合、導波層１８上の抗体に細菌が付着することにより、導波層１８を通過する波動伝播に影響を及ぼす。従って、ＳＡＷセンサ１０の導波層１８を通過する波動伝播の解析により、細菌の検出または導波層１８に塗布されている物質と相互作用し得る他の薬剤の検出が可能になる。
【００１６】
ある場合において、ＳＡＷセンサ１０は、複数の入出力ＩＤＴの組を含んでいる。例えば、ＳＡＷセンサ１０は、各々が第一の出力ＩＤＴ１６および第二の出力ＩＤＴ１７に対応する第一の入力ＩＤＴ１４および第二の入力ＩＤＴ１５を含んでいてよい。その場合、第一の入出力ＩＤＴ１４、１６はＳＡＷセンサ１０の動作中の部分を備え、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７はＳＡＷセンサ１０の基準部分を含んでいてよい。第一の入出力ＩＤＴ１４、１６と、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７との間の導波層１８の表面に異なる種類の抗体を塗布して、関心対象の細菌だけが第一の入出力ＩＤＴ１４、１６に対応する動作中の部分の間の抗体に結合するようにできる。その場合、第二の入出力ＩＤＴ１５、１７対応する基準部分が、温度変化の影響等を説明する基準測定を可能にし、これが無ければＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に影響を及ぼす可能性がある。
【００１７】
ＳＡＷセンサは、細菌検出用に一般的に利用されるが、他の広範な化学的または生物剤の任意のものを検出すべく設計されていてよい。従って、各種の化学的または生物剤の検出を容易にすべく、ＳＡＷセンサ１０の導波層に異なる物質が塗布されていてもよい。導波路物質は好適には、以下の特性のうち一つ以上を示す物質であってよい、すなわち低音響損失、低導電性、水および水溶液中での堅牢性および安定性、および比較的遅い音響速度、疎水性、より高い分子量、高度の架橋構造等である。一例として、ＳｉＯ2を石英基板上の音響導波層として用いた。他の熱可塑性および架橋ポリマー導波路物質の例として、エポキシ、ポリメチルメタクリレート、フェノール樹脂（例：ＮＯＶＡＬＡＣ）、ポリイミド、ポリスチレン等が含まれる。
【００１８】
一般に、ＳＡＷセンサの表面上に特定の物質が存在すれば、導波層の上を移動する他の物質の有無に応答して波動伝播が導波層を通過する際に影響を及ぼすことにより、導波層の上を移動する物質の検出が容易になる。従って、導波層に塗布されている物質は、導波層１８を横断して流れる液体中の懸濁された物質を誘引、捕捉、接着、その他の方法で付着させるべく選ばれてよい。このように、ＳＡＷセンサ１０は、細菌あるいは他の生物または化学薬剤の検出を容易にする。
【００１９】
Ｌｏｖｅモード表面波を生成すべく、導波層１８のシアー波速度は通常、基板１２の速度よも遅い。その場合、音響エネルギーは、ＳＡＷセンサ１０の検出面の近くで捕捉される。特にＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、一般に表面撹乱に対して感度が高い。質量負荷により、ＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの表面状態を変化させることができる。従って、伝播速度または共鳴周波数の変化の測定を利用して、質量負荷を検出することができ、それにより化学または生物剤の存在が検出される。
【００２０】
検出器として利用されるＳＨ−ＳＡＷセンサにとり最も重要な性能指標の一つに質量感度、すなわちセンサが自身の表面に添加された質量にどの程度敏感であるかを示す。質量感度を解析するために以下の２個の指数が定められた。
【数１】
【００２１】
質量がΔｍs＝ρmεである薄くて硬い極小添加層から生じる表面撹乱を伴なう／伴なわない、センサの伝播速度および共鳴周波数であり、ここで、ρmとεは添加層の密度と厚さである。
【００２２】
【数２】
【００２３】
ここで、表記ｖ0（ω）並びにｖg（ω）を用いて、分散的な場合は速度が周波数依存であること強調する。これは、ＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの場合、センサ表面の境界条件の異常を検出するために、Δｖ／ｖoを用いる方が、Δｆ／ｆoを用いるよりも好ましいことを意味する。従って、本発明によれば、Δｖ／ｖoをＳＡＷ−センサ１０等の検出指標の基礎として用いてもよい。
【００２４】
従来、３重トランジット・エコー（ＴＴＥ）を有するＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの場合、位相周波数応答は、次式で与えられた。
【数３】
【００２５】
ここで、ｆとωは、周波数と角周波数を表わし、Ｌは、入力の中心と出力ＩＤＴの中心との距離であり、β＝α2であって、αは入出力ＩＤＴの反射係数である。βが小さく、周波数応答により決定できるため、一般性を失うことなくβをゼロであると仮定できる。このように、位相周波数応答の場合、ＴＴＥを含まない場合だけを考えれば十分である。位相周波数応答は、従って、次式で与えられる。
【数４】
【００２６】
従って、−π＜ψ（ｆ）≦π（ラジアン単位）、または、−１８０＜ψ（ｆ）≦１８０（度単位）である。
【００２７】
【数５】
【００２８】
例えば、ｆ＝１０３ＭＨ、ｖ０＝４０００ ｍ／ｓ且つＬ＝８．８ｍｍであるならば、｜Δｖ｜≧１７．５７４７ｍ／ｓに対して、
【数６】
【００２９】
この理由により、本発明は位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、ＳＡＷセンサを通過する伝播速度を推定する技術を提供する。伝播速度は、後述するように、ＳＡＷセンサを通過する時間遅延だけに関係する。本発明による方法は、表面弾性波センサの位相周波数応答の適当なセグメントを識別するステップと、識別された周波数応答に基づいて、表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップとを含んでいてよい。
【００３０】
図２は、ＳＡＷセンサ１０と、ＳＡＷセンサ１０からの測定値を取得するセンサ・アナライザ２１とを備えるシステム２０を示すブロック図である。システム２０はまた、ＳＡＷセンサ１０の出力を解釈するプロセッサ２２を含んでいる。換言すれば、センサ・アナライザ２１はＳＡＷセンサ１０から出力を受信して、プロセッサ２２に入力を提供することによりＳＡＷセンサ１０の出力を解釈可能にする。
【００３１】
プロセッサ２２はセンサ・アナライザ２１から、ＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に関連付けられた測定値を備える入力を受信する。プロセッサ２２は次いで、ＳＡＷセンサ１０が検出すべく設計されている特定の細菌または他の物質の存在をＳＡＷセンサ１０が検出したか否かを判定する。プロセッサ２２は、本明細書に記述するプロセッサ向けの各種の技術および機能を実現すべく命令を実行する。ＳＡＷセンサ１０はカートリッジ等に収納されていてよく、スロットへカートリッジを挿入することによりセンサ・アナライザ２１に電気的に接続されていてよいが、本発明はこの点に限定されない。プロセッサ２２は、センサ・アナライザ２１と同じ装置に収納されていても、あるいは別個の装置または別個のコンピュータの一部であってもよい。
【００３２】
プロセッサ２２はまた、本開示に示すものと整合する伝播速度ルーチン２５を格納するメモリ２４に接続されていてよい。あるいは、伝播速度ルーチン２５は、プロセッサ２２内のハードウェアに実装されていてもよい。いずれの場合でも、プロセッサ２２は、本明細書に記述するように、識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサを通って伝播する波に付随する時間遅延を推定すべく伝播速度ルーチン２５を実行する。
【００３３】
例えば、プロセッサ２２は、メモリ２４に格納されたソフトウェアを実行する汎用マイクロプロセッサを含んでいてよい。その場合、プロセッサ２２は専用に設計されたコンピュータ、汎用パソコン、ワークステーション、ハンドヘルド・コンピュータ、ラップトップ・コンピュータ等の内部に収納されてよい。あるいは、プロセッサ２２は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または他の専用に設計されたプロセッサを含んでいてよい。いずれの場合も、プロセッサ２２は本明細書に記述するように、識別された周波数応答に基づいて表面弾性波センサ１０を通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定すべく伝播速度ルーチン２５を実行する。
【００３４】
メモリ２４は、プロセッサ２２により適用されるプロセッサ実行可能なソフトウェア命令を格納するコンピュータ可読媒体の一例である。例えば、メモリ２４はランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等を含んでいてよい。以下に数学的に記述されたような伝播速度ルーチン２５はメモリ２４に格納されていて、ＳＡＷセンサ１０の出力の解析に用いられる、より大規模なソフトウェア・プログラムの一部を形成していてもよい。例えば、伝播速度ルーチン２５はＬａｂＶｉｅｗソフトウェア・プラットフォーム内のプログラムされたサブルーチンであってよく、以下により詳しく詳述する。
【００３５】
図３は、本発明の一実施形態による技術を示すフロー図である。図３に示すように、液体がＳＡＷセンサ１０の表面と接触させられる（３１）。液体は、細菌テストが必要な物質のサンプルを含んでいてよい。例えば、液体は、関心対象である細菌に応答する抗体を備えるＳＡＷセンサ１０（図１）の導波層１８の表面を流れるようになっている。ＳＡＷセンサ１０は、例えば、液体がカートリッジ内へ誘導されて、液体経路を経て導波層１８へ流れ込むことができるように、導波層１８の表面上の液体経路を規定するカートリッジに収納されていてよい。
【００３６】
プロセッサ２２は、センサ・アナライザ２１によりＳＡＷセンサ１０から取得された測定値を受信して、メモリ２４に格納されている伝播速度ルーチン２５を適用する。その際、プロセッサ２２はＳＡＷセンサ１０の位相周波数応答のセグメントを識別し（３２）、識別された周波数応答に基づいて、ＳＡＷセンサ１０を通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する（３３）。いくつかの実施形態において、推定された時間遅延から導かれた推定伝播速度を用いて、液体中の細菌その他の物質の濃度を識別することができる（３４）。
【００３７】
表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する多くの数学的技術について以下に述べる。τ＝Ｌ／ｖは、距離Ｌを隔てられた入力ＩＤＴの中心と出力ＩＤＴの中心との間の時間遅延を指す。分散的なケースにおいて、時間遅延はまた周波数の関数でもある。すなわち、τ（ｆ）＝Ｌ／ｖ（ｆ）である。φ（ｆ）（度単位）の定義から、以下が得られる。
【数７】
【００３８】
任意の与えられたランニング周波数ｆ0（動作周波数とも呼ばれる）に対して、ランニング周波数ｆ0に近接する２種の位相屈折周波数ｆ1、ｆ2が存在して、以下が成り立つ。
【００３９】
（１）ｆ1≦ｆ0＜ｆ2
（２）φ（ｆ1）＝１８０、φ（ｆ2−０）＝−１８０且つφ（ｆ2）＝φ（ｆ2＋０）＝１８０
（３）ｆ1τ（ｆ1）＝［ｆ1τ（ｆ1）］、ｆ2τ（ｆ2）＝［ｆ2τ（ｆ2）］且つ［ｆ2τ（ｆ2）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］＋１
（４）任意のｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、［ｆτ（ｆ）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］
【００４０】
図４は、ＳＡＷセンサの例証的な周波数応答を示すグラフである。図４においてラベル付けされているのは例証的なランニング周波数ｆ0、典型的な第一位相屈折周波数ｆ1、典型的な第二位相屈折周波数ｆ2である。再び、任意のｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、［ｆτ（ｆ）］＝［ｆ1τ（ｆ1）］である。従って、ｆ1≦ｆ＜ｆ2に対して、
【数８】
【００４１】
基本的微分方程式を用いて、τ（ｆ）の以下の特性を証明することができる。
命題１：ｆ∈［ｆ11，ｆ22）⊆［ｆ1，ｆ2）に対してφ（ｆ）がｆに関して線形であるならば、τ（ｆ）は定数であり、且つｆ∈［ｆ11，ｆ22）⊆［ｆ1，ｆ2）に対して次式が成立する。
【数９】
【００４２】
命題２：φ（ｆ）が（ｆ1，ｆ2）において微分可能、且つｆ1について右微分可能であると仮定すると、
【数１０】
【００４３】
ここで、時間遅延τ（ｆ）を推定するアルゴリズムまたはルーチンについて議論する。命題２から、伝播速度ルーチン２５の一部として以下のアルゴリズムを用いて、τ（ｆ）の推定を得ることができる。
【００４４】
[０００１] アルゴリズム１：ｆ00＝ｆ1且つ
【数１１】
【００４５】
ここで、ｆ0はランニング周波数であり、この説明ではｆrunとも表記される。
【００４６】
アルゴリズム２：ｆ00＝ｆ*、例えばφ（ｆ*）＝±９０である。ｆ*の周辺で１０個の周波数ｆ(1)，ｆ(2)，．．．，ｆ(10)を取って、（ｆ(1)，φ（ｆ(1)）），（ｆ(2)，φ（ｆ(2)）），．．．，（ｆ(10)，φ（ｆ(10)））の線形回帰を求める。
【数１２】
【００４７】
アルゴリズム３：ｆ00＝ｆ0＝ｆrunである。ｆ0の周辺で１０個の周波数ｆ(1)，ｆ(2)，．．．，ｆ(10)を取って、（ｆ(1)，φ（ｆ(1)）），（ｆ(2)，φ（ｆ(2)）），．．．，（ｆ(10)，φ（ｆ(10)））の線形回帰を求める。
【数１３】
【００４８】
φ（ｆ1）＝１８０、φ（ｆ2−０）＝−１８０であるため、
【数１４】
【００４９】
実際に測定された位相応答の場合、φ（ｆ）は周波数ｆのサンプリング点でしか与えられない。すなわち、φ（ｆ）はセグメント［ｆ1，ｆ2）において連続関数ではなく、離散的なシーケンスである。更に、φ（ｆ1）およびφ（ｆ2）は各々１８０および−１８０に等しくないが、φ（ｆ1−Δｆ）＜０、φ（ｆ1）＞０、φ（ｆ2）＜０且つφ（ｆ2＋Δｆ）＞０であり、ここで、Δｆは周波数領域におけるサンプリング間隔である。推定精度を向上させるには、Δｆはなるべく小さくなければならず、線形回帰を用いて［ｆ1，ｆ2）から［ｆnew1，ｆnew2）にφ（ｆ）を外挿してφ（ｆnew1）＝１８０且つφ（ｆnew2−０）＝−１８０であるようにできる。外挿されたφ（ｆ）に対して、
【数１５】
【００５０】
特に、伝播速度を推定する上述のアルゴリズムは、ＳＨ−ＳＡＷセンサの測定された周波数応答の適当なセグメントに基づくだけである。少なくともこの方法で本アルゴリズムは従来の方法とは異なる。従来の方法は、何らかの時間領域機器によりセンサの時間遅延またはＩＤＴのいくつかの突起間での時間遅延を測定することができる。あるいは、従来の方法は、位相周波数応答全体、振幅周波数応答、および逆のフーリエ変換に基づいていてもよい。対照的に、本明細書に記述する技術は、ＳＨ−ＳＡＷセンサの測定された周波数応答のセグメント、すなわち本明細書の記述のように識別可能な適当なセグメントだけに基づいている。
【００５１】
アルゴリズム１は、オンライン速度測定用にソフトウェア・プラットフォームＬａｂＶｉｅｗに実装されている。ＬａｂＶｉｅｗは、米国ナショナル・インスツルメンツ社（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．）から販売されているソフトウェア・プログラムである。検出器としてＳＡＷセンサを用いることは一般に、特定の表面撹乱の有る／無いセンサの伝播特性の比較に基づく。そのような比較は動的または静的に行なうことができる。
【００５２】
動的比較を行なう場合、センサの伝播特性を時系列として測定される。静的比較を行なう場合、センサは２個のチャネル、すなわち基準チャネルおよび検出チャネル（動作中チャネルとも呼ばれる）で構成されている必要がある。例えば、基準チャネルはＩＤＴ１５と１７（図１）の間の基準セグメントに対応しているが、検出チャネルはＩＤＴ１４と１６の間の動作中の部分に対応していてよい。表面撹乱は検出チャネルにおいて生起する。その場合、センサの２個のチャネルの伝播特徴が測定される。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播特性の測定値がセンサを検出器として使用する際の基準である。
【００５３】
共鳴周波数ｆresonanceおよび伝播速度ｖは最も直接的な伝播特徴の二つであり、Δｖ／ｖは表面撹乱に対するΔｆ／ｆより感度が高い。従って、伝播速度の測定により、ＳＨ−ＳＡＷセンサを検出器として効率的に使用するための改良方法を提供することができる。対照的に、従来の技術は通常、センサ・アナライザにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの対数振幅応答Ａ（ｆ）および位相応答φ（ｆ）を測定し、測定された位相周波数応答からランニング周波数における位相を読み出す。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播速度を直接測定するためのルーチンの開発が、ＳＨ−ＳＡＷセンサの現実の適用に際して極めて重要になる。上に示すアルゴリズムは、測定された位相周波数応答の適当なセグメントから伝播速度を推定するためのソフトウェア・ベースの方法を提供し、例えば米国アジレント・テクノロジーズ社（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．）から市販されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより測定することができる。他の同様のネットワーク・アナライザを用いてもよい。
【００５４】
ＬａｂＶｉｅｗは、センサ・アナライザとの通信、および当該モデルに基づく計算の両方を簡単に行なえる方法として選択された。本明細書に記述する技術の実行に関連付けられた例証的なＬａｂＶｉｅｗ画面を図５に示す。入力は、センサ・アナライザの特別な解像度により一部規定され、最小および最大周波数（センサ・アナライザ上の合計１６００個のデータ点に等しい）およびランニング周波数を含んでいる。
【００５５】
ＬａｂＶｉｅｗからの出力により、結果の様々に解釈することができる。図のＬａｂＶｉｅｗ画面に示す大多数のプロットについて、２種の出力があり、一つは測定センサを表し、他の一つは基準センサを表わす。ＬａｂＶｉｅｗにおいて、位相と速度のプロットを用いて、センサが確実に動作しているか否かを判定することができる。位相に雑音が増えるか、または振幅が約２０ｄＢを超えて減少したならば、センサは不調であるとみなされて廃棄される。
【００５６】
位相ヒストグラムのプロットは、センサ品質の別の尺度として用いることができ、位相プロット線の非線形性に関する。速度のプロットは、本明細書に記述する技術による推定の結果を提供する。
【００５７】
ランニング周波数における強度と位相のプロットが採取されて、時間に対してプロットされる。最後に、温度およびアナ対数値が出力されて、時間に対してプロットされる。位相周波数応答の適当なセグメントから速度を計算すべく、ＬａｂＶｉｅｗ内で内部サブＶＩを用いる。第一のステップで、全ての＋１８０および−１８０度位相点を計算する。換言すれば、位相屈折周波数を決定するために、本技術はランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答のサンプリングを行ない、当該複数の位相応答の関数として位相屈折周波数を推定することができる。
【００５８】
連続的な周波数と、その離散的実現値との間の速度表現の差異を上で議論した。しかし、上の第一ステップはまた、ＬａｂＶｉｅｗのアルゴリズム１を実行する間に適用することができる。センサ・アナライザの周波数の解像度が限られている場合、−１８０〜１８０度の位相遷移に関するデータは下記のものと同様であってよい。
【００５９】
−１７５．９７，−１７６．８６６，−１７７．７６１，−１７８．６５７，−１７９．５５２，１７９．５５２２，１７８．６５６７，１７７．７６１２，１７６．８６５７，１７５．９７０１，
【００６０】
外挿された線形フィットを用いて、ちょうど−１８０および１８０度である位相点を発見することができる。例証的な＋１８０および−１８０度位相点の描画を図６に示す。図７に、正確な−１８０および１８０度位相を発見すべく両側へ外挿された線形フィットの利用を例示する。図７からわかるように、ｆ1、ｆ2の値およびランニング周波数φ（ｆ0）における位相を計算することができる。しかし、ＬａｂＶｉｅｗではフォーマットが異なるため、上で導いたモデルとは異なる表記法を用いる必要があろう。例えばＬａｂＶｉｅｗでは、
【００６１】
Ｔａｕ＿Ｆｒ ＝（（（Ｆ１／（Ｆ２−Ｆ１））*３６０）−Ｐｈａ＿Ｆｒ＋１８０）／Ｆ＿ｒｕｎ*１００００００*３６０） （Ｆ＿ｒｕｎがヘルツに変換済み）
【００６２】
次いで、
Ｖ＿Ｆｒ＝（Ｌ*０．００１）／Ｔａｕ＿Ｆｒ （Ｌはミリメートルからメートルに変換済み）
【数１６】
【００６３】
ＬａｂＶｉｅｗの別のアプリケーションを用いて、格納されている位相ファイルを取り出して速度データを再構築することが可能である。位相データは次いで、上述と全く同じモデルを用いて変換することができる。このように、得られた速度と関連してランニング周波数を変える影響が見ることができる。ＬａｂＶｉｅｗにより、２個のランニング周波数（０．１ＭＨｚの差で）を同時に評価することができる。利点として、位相屈折周波数は、位相対周波数のグラフの単調に変化する部分集合の表面弾性波センサの端を規定する。このように、本明細書に記述する技術は、センサによる物質の識別だけでなく、物質の濃度の表示をも可能にする。
【実施例１】
【００６４】
実験に用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所（Sandia National Laboratories, USA）から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。低壁フローセルをセンサの上部に配置して、ｐＨ７．５のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）緩衝液で満たした。当該液体容器は、緩衝液の流れを遅くすることができるようにシリンジポンプ系に接続されていた。実験を行なう間、０．０５ｍｇ／ｍｌのウシ血清アルブミン％（ＢＳＡ）タンパク質の２５０マイクロリットルの複数のアリコートを指定時刻に細胞内へ注入した。米国アジレント・テクノロジーズ社（Agilent Technologies Inc., USA）から販売されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより、ほぼ２０秒毎にセンサの対数振幅および位相応答を測定した。その結果生じた位相応答に基づいて、動作周波数における位相の時間に対する曲線が直ちに得られた。次いでアルゴリズム１を用いて、動作周波数における時間毎の伝播速度を計算した。図８、９は実験の時間経過に沿って各々プロットした位相応答および伝播速度を示す。速度の時間に対する曲線の谷は、非常にゆっくり流れる緩衝液流にＢＳＡが注入された時点と正確に対応している。位相の時間に対する曲線と比較して、伝播速度の計算からはＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサの表面への質量負荷に関するより多くの詳細な情報が得られ、その結果質量負荷および粘性に対する感度が向上する。
【実施例２】
【００６５】
この例では、検出中の細菌の３種の別々の濃度を用いた。第一の細菌濃度は１０3ｃｆｕ／ｍｌ（１ミリリットル当たりの単位を形成するコロニー）であり、結果を図１０、１１に示す。第二の細菌濃度は１０5ｃｆｕ／ｍｌであり、結果を図１２、１３に示す。第三の細菌濃度は１０7ｃｆｕ／ｍｌであり、結果を図１４、１５に示す。
【００６６】
特に、図１０、１２、１４のグラフは、指定濃度におけるΔｖ／ｖ0は対時間を示し、図１１、１３、１５のおよびグラフは指定濃度におけるΔφ／φ0は対時間を示す。
【００６７】
質量負荷測定用にＳＨ−ＳＡＷセンサを使用する通常の方法は、センサが基準チャネルおよび検出チャネルの２個のチャネルを備えるということである（本明細書では検出チャネルをセンサの「動作中のチャネル」または「動作中のセグメント」とも呼ぶ）。基準チャネルにおいて、センサの表面は極めて安定している一方、検出チャネルでは撹乱されている。２個のチャネルの伝播特性を測定して比較することにより、検出チャネルにおける質量負荷から生じる撹乱を検出することができる。２個のチャネルの伝播特徴の違いを記述するために利用できインジケータ機能が添加された物質の質量に関して単調である場合、質量負荷の存在を検出して定量化することができる。検出用のインジケータ機能としてΔｖ／ｖ0を用いる方が、Δφ／φ0を用いるよりも良いことが上で示されている。
【００６８】
本例は、実際の実験から当該結論の正当性を示すものである。本実験において、検出チャネルの表面には、特定の濃度で細菌が含有されていた。実験において使用した細菌の濃度は各々、１０3、１０5および１０7ｃｆｕ／ｍＬである。検出チャネルへの細菌注入から逆洗までの遅延は約２０分であった。各々の細菌濃度におけるΔｖ／ｖ0およびΔφ／φ0の時間に対する曲線を図１０〜１５に示し、２個のチャネルの伝播速度の計算は上述のアルゴリズムに基づいている。本例での実験は抗体を含まない点を指摘しておく。細菌は、サッカリン固定化層である表面化学物質に直接結合されていた。
【００６９】
定常状態におけるΔｖ／ｖ0およびΔφ／φ0が各々の細菌濃度について上述の曲線から抽出された。Δｖ／ｖ0の対数濃度に対する関係およびΔφ／φ0の対数濃度に対する関係を各々図１６、１７に示す。
【００７０】
実験結果は３種の異なる細菌濃度のものでしかないが、明らかに、Δφ／φ0は細菌濃度に関して単調ではない。これはまた、Δφ／φ0が、ダイナミックレンジが大きい質量負荷を定量的に検出するための適当なインジケータではないという結論の正当性を示す。
【実施例３】
【００７１】
本実験で用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。実験を行なう間、センサの表面は以下の通りであった。
【００７２】
１．空気中に約２０分間静置
２．緩衝液中に約３０分間静置
３．緩衝液中の細菌に約１８分間接触
４．短時間洗浄して、約２０分間の緩衝液に静置
５．純水に約３０分間接触
【００７３】
細菌は表面に取り付けられる抗体に結合されていた。図１８は動作周波数における伝播速度の時間に対するグラフであり、図１９は動作周波数における位相の時間に対するグラフである。伝播速度は、上述のアルゴリズム１を用いて計算した。図１８、１９において、破線の垂直線は、上で詳述したセンサの各種の表面条件の持続時間を規定する。
【００７４】
図１８の速度の時間に対するグラフを見れば、本実験のプロセスと結果がより簡単に理解できよう。センサの表面弾性波の伝播速度は、１８１で示すように表面が空気中にあるときよりも速い。緩衝液を注入すると、速度は減少し、１８２で示すように定常状態に落ち着いた。一定量の細菌を加えると、速度は１８３で示すように再び低下した。短時間の洗浄では細菌を除去されず、センサ表面に取り付けられた抗体に吸着された。従って、前の状態におけるのと同様に洗浄中の速度を１８４に示す。最後に、１８５に示すように表面状態が、吸着された細菌から水へ変化したため、表面弾性波センサの速度は増加した。極めて対照的に、図１９に示す位相の時間に対する曲線に基づく実験プロセスおよび結果を理解して説明することは困難である。
【実施例４】
【００７５】
本実験で用いたＬｏｖｅモードＳＨ−ＳＡＷセンサは、米国サンディア国立研究所から提供された１０３ＭＨｚで動作するＬｉＴａＯ3機器であった。低壁フローセルをセンサの上部に配置して、ｐＨ約７．５のリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）緩衝液で満たした。当該液体容器は、緩衝液の流れを遅くすることができるようにシリンジポンプ系に接続されていた。実験を行なう間、各種濃度のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）タンパク質の２５０マイクロリットルの複数のアリコートを指定時刻に細胞内へ注入した。タンパク質の注入は、以下の表１に準拠する。表１において、ＢＳＡはウシ血清アルブミンを指し、ＩｇＧは免疫グロブリンを指す。
【００７６】
【表１】
【００７７】
例１で述べたように、米国アジレント・テクノロジーズ社から販売されている８７５３ＥＴネットワーク・アナライザにより、ほぼ２０秒毎にセンサの対数振幅および位相応答を測定した。有効チャネルに対するこれらの位相周波数応答の適当なセグメントおよび上で提案したアルゴリズム１に基づいて、ランニング周波数における位相対時間および伝播速度対時間の両方の曲線が得られた。図２０は結果的に得られた位相対時間のグラフであり、一方、図２１は結果的に得られた伝播速度対時間のグラフである。
【００７８】
ＢＳＡ注入の場合における伝播速度（ｍ／ｓ）対時間（時間領域内てのサンプリング点）の曲線の詳細を図２２〜２４に示す。曲線の谷の位置は、表１に掲載した注入時点に極めて近い。図２３において、ラベルは以下のものに対応している。
【００７９】
（１）（７３７の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
（２）（７８３の）ＢＳＡ ．０２５ｍｇ／ｍｌ
（３）（８１６の）ＢＳＡ ．０１２５ｍｇ／ｍｌ
（４）（８５４の）ＢＳＡ ．０３３３ｍｇ／ｍｌ
（５）（８８８の）ＢＳＡ ．０４ｍｇ／ｍｌ
（６）（９１６の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
（７）（９４８の）ＢＳＡ ０．００６２５ｍｇ／ｍｌ
（８）（９９４の）ＢＳＡ ０．００３１２５ｍｇ／ｍｌ
（９）（１０２３の）ＢＳＡ ．０５ｍｇ／ｍｌ
【００８０】
Δｖ／ｖをより正確に推定すべく、ＢＳＡの注入時点周辺で速度の曲線のいくつかのセグメントを用いる。一例を図２６に示す。この場合、推定された注入時点は、時間領域における第９５２番目のサンプリングである。図２６に示すこのセグメントから、谷の稜線が決定されて、速度ｖ0およびｖ1が推定される。次いで、この注入におけるΔｖ／ｖ＝（ｖ1−ｖ0）／ｖ０が計算され、この場合Δｖ／ｖ＝−０．００５６である。図２５に、φの曲線の対応するセグメントを示す。図２５のグラフからの当該注入のΔφ／φを決定するのは困難である。
【００８１】
図２７〜３０に更に多くの例を示す。特に、図２８、３０は推定された注入時点周辺でのｖの曲線のセグメントを示し、図２７、２９にφの曲線の対応するセグメントを示す。図２８、３０における計算された（Δｖ／ｖ）は各々、は−０．０２０１および−０．０１９７である。図２７、２９からΔφ／φを決定するのは依然として困難である。
【００８２】
ＢＳＡされた注入時点周辺でのΔｖ／ｖのより正確な推定値を表１に掲載している。結果的に得られたΔｖ／ｖと、表１に掲載した同一注入時点で注入されたＢＳＡの既知濃度との対比を図３１に丸印で示す。０．０５ｍｇ／ｍｌの濃度に対応して、７個の重複する（Δｖ／ｖ）が存在する。
【００８３】
最も大きいΔｖ／ｖに対応する丸印を調べることができる。図３１の曲線は、丸印を接続することで得られる。図３１の曲線は単調である。更に、図３１の曲線の単調性から、速度と較正の曲線で測定できるΔｖ／ｖを用いることにより、注入されたＢＳＡの濃度が[０．００３１２５，０．０５]ｍｇ／ｍｌの範囲にあれば、注入されたＢＳＡの濃度をセンサが更に検出できることを示す。
【００８４】
ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播特性の測定は、検出器としてセンサを使用する際の基本である。共鳴周波数ｆresonanceおよび伝播速度ｖは、２個の直接的な伝播特性であり、Δｖ／ｖは表面撹乱に対してΔｆ／ｆよりも感度が高い。従って、伝播速度の測定は、検出器としてＳＨ−ＳＡＷセンサを効率的に使用するための好適な指標である。
【００８５】
対照的に、従来の方法はセンサ・アナライザにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの対数振幅周波数応答Ａ（ｆ）および位相周波数応答φ（ｆ）を測定し、次いでランニング周波数における位相を読み出すものである。検出におけるΔφまたはΔφ／φの重大な制約は上で述べた。ＳＨ−ＳＡＷセンサの伝播速度を直接測定するためのハードウェアおよび／またはソフトウェアを開発することにより、ＳＨ−ＳＡＷセンサの実用的に応用することができる。従来の３重トランジット・エコー（ＴＴＥ）技術を用いたＳＨ−ＳＡＷセンサのシステムモデルに基づいて、センサ・アナライザにより測定された位相周波数応答の適当なセグメントから伝播速度を推定するいくつかのアルゴリズムが提示されてきた。第一のアルゴリズム（アルゴリズム１）はまた、オンライン速度測定用にソフトウェア・プラットフォームＬａｂＶｉｅｗに実装された。
【００８６】
従来の位相に基づく、または位相シフトに基づく方法と比較して、本明細書に記述する技術は位相に含まれる情報が一切失われない。また、位相アンビギュイティを解決するため、本明細書に記述する技術は、従来技術に比べてＳＨ−ＳＡＷセンサの表面状態に関してはるかに多くの詳細情報を抽出することができる。更に、上の例で広いダイナミックレンジにわたる濃度について、液体質量負荷の濃度に対するΔｖ／ｖの曲線の単調性を示した。これは、従って、ＳＨ−ＳＡＷセンサを用いて実際に質量負荷を定量的に検出するための基礎となる。対照的に、液体質量負荷の濃度に対するΔφ／φの曲線の場合、曲線の単調性は濃度が薄い場合にしか見られない。
【００８７】
本発明の各種の実施形態について述べてきた。特に、表面弾性波センサを通過する伝播速度を推定する技術について述べてきた。これらの技術は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア等で実装することができる。例証的なハードウェア実装には、汎用マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、専用設計ハードウェア部品、またこれらの任意の組み合せによる実装が含まれる。また、本明細書に記述した一つ以上の技術は、部分的にまたは完全にソフトウェアで実行することができる。その場合、コンピュータ可読媒体がコンピュータ可読な命令、すなわち、プロセッサにより実行可能である、または上述の技術の一つ以上を実行するプログラムコードを格納または別途包含していてよい。これらの技術は、一定時間遅延（非分散的な場合）および周波数依存時間遅延（分散的な場合）の両方で利用することができる。
【００８８】
例えば、コンピュータ可読媒体はランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ等を含んでいてよい。これらおよび他の実施形態は添付の請求項の範囲内にある。
【００８９】
本発明の機器を被覆するのに適した方法は、本出願人の米国同時係属出願第１０／６０７，６９８号明細書（２００３年６月２７日出願）を含んでいる。
【００９０】
本発明は、以下に掲載する各種の米国特許出願（その各々の全文を引用している）に記述されているように、各種の物質、方法、システム、装置等と組み合わせて利用することができる。これらは、米国特許出願第６０／５３３，１６２号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第６０／５３３，１７８号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第１０／８９６，３９２号明細書（２００４年７月２２日出願）、同第１０／７１３，１７４号明細書（２００３年１１月１４日出願）、同第１０／９８７，５２２号明細書（２００４年１１月１２日出願）、同第１０／７１４，０５３号明細書（２００３年１１月１４日出願）、同第１０／９８７，０７５号明細書（２００４年１１月１２日出願）、同第６０／５３３，１７１号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第１０／９６０，４９１号明細書（２００４年１０月７日出願）、同第６０／５３３，１７６号明細書（２００３年１２月３０日出願）、同第６０／５３３，１６９号明細書（２００３年１２月３０日出願）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「細胞の細胞壁成分の信号検出を向上させる方法」（代理人整理番号：５９４６７ＵＳ００２）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「アミン捕捉剤としての可溶なポリマーおよび方法」（代理人整理番号：５９９９５ＵＳ００２）、本願と同日出願の＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「多機能アミン捕捉剤」（代理人整理番号：５９９９６ＵＳ００２）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「表面弾性波センサ・アセンブリ」（代理人整理番号：５８９２８ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「音響機械的検出システムおよび方法」（代理人整理番号：５９４６８ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「検出カートリッジ、モジュール、システムおよび方法」（代理人整理番号：６０３４２ＷＯ００３）、本願と同日出願のＰＣＴ出願＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿「音響センサおよび方法」（代理人整理番号：６０２０９ＷＯ００３）である。
【００９１】
本明細書において引用した特許、特許出願、特許文献および刊行物の完全な開示は、あたかも各々が個別に引用された如く、その全文を引用している。本発明に対する各種の変形および変更等は、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、当業者にとって明らかになる。本発明が、本明細書に記述した例証的な実施形態により過度に限定されることを意図しておらず、そのような実施形態が例示目的でのみ示されていて、本発明の範囲は特許請求の範囲だけにより限定されることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の１個以上の実施形態で利用できる例証的な表面弾性波（ＳＡＷ）センサを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態によるシステムを示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による技術を示すフロー図である。
【図４】ＳＡＷセンサの例証的な位相周波数応答のグラフを示す図である。
【図５】本明細書に記述する技術の実装に関連付けられた例証的なＬａｂＶｉｅｗ画面を描いた図である。
【図６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１２】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１３】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１４】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１５】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図１９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２２】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２３】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２４】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２５】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２６】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２７】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２８】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図２９】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図３０】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【図３１】本発明に従い利用可能な技術および従来技術で認識されている特徴に関して認識可能な各種の望ましい特徴のグラフを示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別するステップと、
前記位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップと、を備える方法。
【請求項２】
前記位相周波数応答のセグメントを識別するステップが、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
位相屈折周波数を決定するステップが、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、位相屈折周波数を最初に推定するステップと、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングするステップと、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定するステップと、を備える、請求項２の方法。
【請求項４】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記時間遅延を概ね次式、
【数１】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記時間遅延を概ね次式、
【数２】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数３】
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記時間遅延を概ね次式、
【数４】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記時間遅延を概ね次式、
【数５】
に等しく、
ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記推定された時間遅延から、前記表面弾性波センサを通過する表面弾性波の伝播速度を次式、
【数６】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記表面弾性波センサの表面に液体を接触させるステップと、
前記液体中の物質の濃度を、推定伝播速度の関数として識別するステップを更に備え、但し推定伝播速度は前記推定時間遅延に基づいて推定されている、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
プロセッサ内で実行された際に、
表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、
前記識別された周波数応答に基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する命令を備えるコンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
実行された際に、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定することにより、位相周波数応答のセグメントを識別する命令を更に備える、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
実行された際に、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、位相屈折周波数を最初に推定し、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定することにより、離散的位相周波数応答に対する位相屈折周波数を決定する命令を更に備える、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数７】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの前記ランニング周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数８】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数９】
は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答の一次導関数である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数１０】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数１１】
ｆ0は動作周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、積分
【数１２】
に等しく、ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
実行された際に、前記推定された時間遅延から、前記表面弾性波の伝播速度を次式、
【数１３】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２１】
実行された際に、液体中の物質の濃度を、推定伝播速度の関数として識別する命令を更に備え、但し推定伝播速度は前記推定時間遅延に基づいて推定されている、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２２】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２３】
表面弾性波センサと、
前記表面弾性波センサの出力を受信するセンサ・アナライザと、
前記センサ・アナライザからの入力を受信し、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別して、前記位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するプロセッサと、を備えるシステム。
【請求項２４】
前記プロセッサが、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定することにより、位相周波数応答のセグメントを識別する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記プロセッサが、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数を最初に推定し、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定することにより、位相屈折周波数を決定する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１４】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの前記ランニング周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１５】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は前記ランニング周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数１６】
は前記ランニング周波数ｆ*において測定された位相周波数応答の一次導関数である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１７】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１８】
ｆ0は動作周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、積分
【数１９】
に等しく、ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
前記プロセッサが、前記推定された時間遅延に基づいて、前記表面弾性波の伝播速度を次式、
【数２０】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
前記プロセッサが、前記推定された時間遅延に基づいて伝播速度を推定する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサが、液体中の物質の濃度を、前記推定された伝播速度の関数として識別する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項２３に記載のシステム。
【請求項１】
表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別するステップと、
前記位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するステップと、を備える方法。
【請求項２】
前記位相周波数応答のセグメントを識別するステップが、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
位相屈折周波数を決定するステップが、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、位相屈折周波数を最初に推定するステップと、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングするステップと、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定するステップと、を備える、請求項２の方法。
【請求項４】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記時間遅延を概ね次式、
【数１】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記時間遅延を概ね次式、
【数２】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数３】
請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記時間遅延を概ね次式、
【数４】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記時間遅延を概ね次式、
【数５】
に等しく、
ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記推定された時間遅延から、前記表面弾性波センサを通過する表面弾性波の伝播速度を次式、
【数６】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記表面弾性波センサの表面に液体を接触させるステップと、
前記液体中の物質の濃度を、推定伝播速度の関数として識別するステップを更に備え、但し推定伝播速度は前記推定時間遅延に基づいて推定されている、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
プロセッサ内で実行された際に、
表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別し、
前記識別された周波数応答に基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定する命令を備えるコンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
実行された際に、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定することにより、位相周波数応答のセグメントを識別する命令を更に備える、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
実行された際に、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、位相屈折周波数を最初に推定し、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定することにより、離散的位相周波数応答に対する位相屈折周波数を決定する命令を更に備える、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１５】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１６】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数７】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの前記ランニング周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項１３に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数８】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数９】
は周波数ｆ*において測定された位相周波数応答の一次導関数である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数１０】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
実行された際に、前記時間遅延を概ね次式、
【数１１】
ｆ0は動作周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、積分
【数１２】
に等しく、ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２０】
実行された際に、前記推定された時間遅延から、前記表面弾性波の伝播速度を次式、
【数１３】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２１】
実行された際に、液体中の物質の濃度を、推定伝播速度の関数として識別する命令を更に備え、但し推定伝播速度は前記推定時間遅延に基づいて推定されている、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２２】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項１２に記載のコンピュータ可読媒体。
【請求項２３】
表面弾性波センサと、
前記表面弾性波センサの出力を受信するセンサ・アナライザと、
前記センサ・アナライザからの入力を受信し、表面弾性波センサの位相周波数応答のセグメントを識別して、前記位相周波数応答の識別されたセグメントに基づいて、前記表面弾性波センサを通過する波動伝播に付随する時間遅延を推定するプロセッサと、を備えるシステム。
【請求項２４】
前記プロセッサが、前記表面弾性波センサに付随するランニング周波数に近接する第一および第二の位相屈折周波数を決定することにより、位相周波数応答のセグメントを識別する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記プロセッサが、
前記ランニング周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、前記ランニング周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数を最初に推定し、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数において複数の位相応答をサンプリングして、
前記最初に推定した位相屈折周波数に近接する周波数における前記複数の位相応答の関数として、前記位相屈折周波数をより正確に推定することにより、位相屈折周波数を決定する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第一および第二の位相屈折周波数が、前記表面弾性波センサの位相対周波数のグラフの単調変化する部分集合の稜線を規定する、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１４】
ｆ0はランニング周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの前記ランニング周波数ｆ0において測定された位相応答である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１５】
ｆ0はランニング周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、ｆ*は第一の位相屈折周波数と第二の位相屈折周波数との間の任意の周波数、φ（ｆ*）は前記ランニング周波数ｆ*において測定された位相周波数応答、
【数１６】
は前記ランニング周波数ｆ*において測定された位相周波数応答の一次導関数である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２９】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１７】
は周波数ｆ0において測定された位相応答の一次導関数である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３０】
前記プロセッサが、前記時間遅延を概ね次式、
【数１８】
ｆ0は動作周波数、ｆ1は第一の位相屈折周波数、ｆ2は第二の位相屈折周波数、φ（ｆ0）は前記表面弾性波センサの測定された位相応答、積分
【数１９】
に等しく、ここで、φ（ｆ）は周波数ｆにおいて測定された位相応答であってｆはｆ1からｆ2まで変化する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３１】
前記プロセッサが、前記推定された時間遅延に基づいて、前記表面弾性波の伝播速度を次式、
【数２０】
Ｌは入力櫛形トランスデューサ（ＩＤＴ）および出力ＩＤＴの中心同士の距離である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３２】
前記プロセッサが、前記推定された時間遅延に基づいて伝播速度を推定する、請求項２３に記載のシステム。
【請求項３３】
前記プロセッサが、液体中の物質の濃度を、前記推定された伝播速度の関数として識別する、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記表面弾性波センサがＬｏｖｅモードＳＨ表面弾性波センサを備える、請求項２３に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公表番号】特表２００７−５１７２２８（Ｐ２００７−５１７２２８Ａ）
【公表日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４７２２１（Ｐ２００６−５４７２２１）
【出願日】平成１６年１２月１７日（２００４．１２．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０４２７９３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０６６６２２
【国際公開日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１７日（２００４．１２．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０４２７９３
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０６６６２２
【国際公開日】平成１７年７月２１日（２００５．７．２１）
【出願人】（５９９０５６４３７）スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー (1,802)
【Ｆターム（参考）】
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